劉 浩，孔 劍，暨柳華

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

壓力鋼管是水電站建筑物的重要組成部分，按布置形式一般分為：明管、地下埋管、壩內(nèi)埋管和壩后背管。由于其起著將水由電站進水口引至水輪機的作用，而承受著較大的內(nèi)水壓力或外水壓力以及不穩(wěn)定水流引起的其它荷載。鋼管一旦發(fā)生破壞，直接危及到機組、廠房乃至整個電站樞紐的安全。明管單獨承受內(nèi)水壓力；地下埋管和壩內(nèi)埋管由鋼襯及圍巖或壩體混凝土共同承受內(nèi)水壓力；壩后背管可采用明管由鋼管單獨受力，也可采用鋼襯鋼筋混凝土管由鋼襯及外圍鋼筋混凝土共同承受內(nèi)水壓力。

明管與鋼襯鋼筋混凝土管是為達到同一目的的兩條不同的技術(shù)路線。由于水電站的規(guī)模越來越大，壓力鋼管的PD值不斷增大。明管是靠提高材料強度等級、增加鋼板厚度來適應，日本及歐美等國家一般采用這一技術(shù)路線；鋼襯鋼筋混凝土管則是增設(shè)外圍鋼筋混凝土與鋼管共同承擔內(nèi)水壓力，不以提高材料等級和增加鋼板厚度為唯一條件，前蘇聯(lián)地區(qū)大多采用這種形式。通常鋼材的強度等級越高，材料碳當量越高，焊接性能下降的越多，鋼板厚度越大，焊接及熱處理難度越大，明管的規(guī)模與當今鋼材及焊接技術(shù)水平密切相關(guān)[1]。鋼襯鋼筋混凝土管所用鋼材一般不超過500 MPa級，但鋼管外布置有多層鋼筋，外圍鋼筋混凝土的施工也具有相當難度。

無論那一種布置形式，都需要合理選擇鋼管材料。

1 鋼材特性

1.1 鋼材的強度指標

鋼材的強度指標是指材料的屈服點和抗拉強度，是確定鋼管管壁厚度的基本參數(shù)。同一特性的鋼管，提高鋼材強度可減少鋼管工程量、減少焊接填充量、降低鋼管運輸?shù)跹b難度。但強度越高，屈強比越大，材料的塑性儲備越低，焊接難度也增大[2]。一般來說，500 MPa級以下的鋼材屈強比小于0.67，600 MPa級及以上的高強鋼屈強比大于0.67，800 MPa級的鋼材屈強比達0.85以上。在鋼材標準中，一般對屈服點規(guī)定最低值，抗拉強度規(guī)定一定范圍，而鋼廠實際試驗屈服點和抗拉強度遠高于標準值。日本技術(shù)標準規(guī)定材料的允許應力當屈強比大于0.75，以σs=0.75σb計算允許應力，最新修訂的《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》[3]規(guī)定材料的允許應力當屈強比大于0.7，以σs=0.7σb計算允許應力。美國土木工程師協(xié)會《壓力鋼管設(shè)計手冊》規(guī)定基本允許應力取1/3抗拉強度或2/3屈服強度的最小值。

1.2 鋼材的塑性指標

鋼材的塑性主要由延伸率體現(xiàn)。我國標準用δ5來表示，δ5是指拉伸試驗時試件夾持長度為試件截面直徑的5倍時的延伸率。材料延伸率一般在20%左右。延伸率越高，材料的變形的儲備越大，塑性越好，冷作硬化的趨勢越小。鋼管是用鋼板在卷板機上卷制成的，在卷制過程中鋼管內(nèi)壁受壓，外壁受拉，必然會發(fā)生塑性變形。過大的塑性變形后材料的組織和性能將發(fā)生變化，這種變化對對鋼管結(jié)構(gòu)有不利的一面。所以規(guī)范[3]規(guī)定對16Mn鋼，t≥D/33(即鋼管外側(cè)塑性變形t/D≤3%，t為板厚；D為鋼管直徑)。但對高強鋼沒有強制性規(guī)定，因此在選擇高強鋼時應注意研究材料對鋼管卷板工藝的適應性。

斷面收縮率也是材料的一項塑性指標，還可以用來衡量板厚方向受拉鋼板的性能。GB5313中有規(guī)定，鋼板Z向性能級別按照鋼材的含硫量及Z向的斷面收縮率確定，分為Z15、Z25、Z35等級別。對岔管的加強梁、月牙梁等板厚方向受拉的構(gòu)件應注意這一要求。

1.3 鋼材的韌性指標

鋼材的韌性指標是鋼材質(zhì)量標準中一項重要指標，用沖擊功或沖擊韌性表示。沖擊功是規(guī)定形狀和尺寸的試樣在沖擊試驗力一次沖擊作用下折斷時所吸收的功(用Ak表示，單位J)，沖擊韌性是單位面積的沖擊功(用ak表示，單位J/cm2)。鋼材韌性指標越高，抗脆斷能力越強。選用的鋼材在使用條件下應具有足夠的韌性儲備。我國和日本鋼材標準都將沖擊值直接列入標準中，而美國標準沒有直接列入，由供需雙方訂貨商定。沖擊試驗條件不同的標準不完全一樣。有U型缺口、V型缺口，有縱試件、橫試件，現(xiàn)在我國基本統(tǒng)一按V型缺口進行試驗[3]。因是試驗數(shù)據(jù)，不同的試驗條件沒有換算關(guān)系。國標《碳素結(jié)構(gòu)鋼》、《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》中，沖擊韌性指標為V型缺口縱試件的試驗條件，《壓力容器用鋼》中為V型缺口橫試件的試驗條件，而且對常溫、低溫沖擊韌性指標分別作了規(guī)定[4-6]。選擇鋼管材料的沖擊韌性指標，一是要充分考慮工程所在地的溫度條件、運行條件及工程重要等級，同時要考慮所選材料可能達到的韌性要求及實際工程的使用情況，并留有足夠的韌性儲備。

1.4 鋼材的化學成分

鋼材的化學成分決定了它的力學性能及焊接性能。壓力鋼管用材要求既保證力學性能又保證化學成分。增加鋼中碳的含量，可大大提高強度，但會降低鋼的塑性和韌性，惡化可焊性。一般碳素鋼含C量不大于0.22%，低合金鋼不大于0.18%。Mn、Ni、Cr、Mo、Ti等合金元素可提高鋼的強度，對塑性、韌性、抗腐蝕性、冷脆性、可焊性等起不同的作用，因此要對各元素含量加以控制。碳當量(Ceq)、裂紋敏感性系數(shù)(Pcm)可大致評價鋼的可焊接性。一般Ceq小于0.4%、Pcm小于0.2%的材料具有較好的可焊性；Ceq大于0.4%的鋼材不易焊接，但只要嚴格按焊接工藝評定的焊接規(guī)范進行施焊也可順利完成焊接工作。

2 國內(nèi)外幾個大型壓力鋼管選材

2.1 大古力水電站

大古力水電站于1933年開工，1941年建成大壩和第一個廠房，1947年建成第二廠房和水泵站，1970年又興建第三廠房。第一、第二廠房裝機33臺，總裝機容量6 509 MW，第三廠房內(nèi)裝有三臺單機容量為600 MW和三臺700 MW的機組，總?cè)萘繛?0 309 MW。第三廠房內(nèi)鋼管全長約122 m，最大直徑12.2 m，最大板厚50 mm，材料為日本生產(chǎn)ASTM 537CL.1，是壓力容器用鋼，含碳、硅、錳，采用正火處理的鋼板，為細晶粒的奧氏體鎮(zhèn)靜鋼，其化學成分和力學性能見表1、表2，同時還規(guī)定按ASTM-A20做附加抗拉試驗，并對材料低溫沖擊韌性作了要求。

表1 ASTM 537CL.1化學成分 %

表2 ASTM 537CL.1力學性能

大古力電站第三廠房壓力鋼管按1.33倍設(shè)計壓力分段作了水壓試驗，對所有的縱環(huán)縫進行了射線探傷檢查。除安裝于下水平段鋼管內(nèi)的二個厚度為76 mm的悶頭和和焊接在鋼管上的二個直徑為1.524 m的檢修孔進行了焊后熱處理外，其它鋼管均未作熱處理。

2.2 古里水電站

古里水電站是委內(nèi)瑞拉卡羅尼河上最大電站，工程分二期建成。初期1963年開工，10條壓力鋼管，直徑7.5 m，總裝機容量2 910 MW，1977年全部建成；擴建工程主要包括將原大壩加高50 m，并增建新的重力壩和第二廠房，第二廠房裝10臺單機容量為600 MW機組，1984年第一臺機組投產(chǎn)，1986年全部建成，總裝機容量10 060 MW。擴建工程10條壓力鋼管，鋼管直徑11.4 m。

古里水電站初期工程鋼管材質(zhì)為ASTM-A201-61T，厚度為16～48 mm，由美國供應；擴建工程為ASTM-A516Gr.70(相當于我國標準的Q235)，厚度為30～58 mm，由日本供應，其化學成分與力學性能見表3、表4。

表3 ASTM A516Gr.70化學成分 %

表4 ASTM A516Gr.70力學性能

ASTM-A516Gr.70為美國中、低溫壓力容器用碳素鋼板，為細晶粒的奧氏體鎮(zhèn)靜鋼。按ASTM標準，板厚小于40 mm為熱軋狀態(tài)，大于40 mm為正火狀態(tài)。為提高鋼材的沖擊韌性，改善鋼材可焊性和減少熱影響區(qū)產(chǎn)生微裂紋的可能，所有鋼板均進行了正火處理。其性能除滿足表4要求外還應符合ASTM-A20中的規(guī)定。

1)模擬熱處理后機械性能試件，試件從厚度大于38 mm的鋼板取得。

2)做附加抗拉試驗。根據(jù)ASTM-A20規(guī)定，在鋼板一角取一個抗拉試件作試驗外同時應順鋼板延軋方向，在第一取試件位置的對角的鋼板上取第二個抗拉試件，其試驗結(jié)果均應符合要求。

3)V型缺口、橫試件在-29℃(-20℉)沖擊值不低與2.07 kgf-m。

4)對鋼板進行100%超聲波探傷檢查，符合ASTM-A578中Ⅱ級標準。

鋼管在焊接時進行了預熱，預熱溫度和層間溫度要求不低于121℃(250℉)。鋼管廠內(nèi)設(shè)由大型退火爐，板厚大于38 mm的焊縫(不包括現(xiàn)場環(huán)縫)在爐內(nèi)作。整體消除應力退火，現(xiàn)場環(huán)縫進行射線探傷和磁粉探傷檢查(板厚大于38 mm)，確保焊縫質(zhì)量。

2.3 三峽水利樞紐

三峽水利樞紐共裝26臺機組，單機容量700 MW，總裝機容量18 200 MW，采用單管單機引水方式。鋼管設(shè)計水頭139.5m，一條鋼管長約122.7 m，直徑12.4 m。上平段為壩內(nèi)埋管，上彎段至下彎段采用鋼襯鋼筋混凝土管，下平段按明管設(shè)計。下彎段以上(不包括下彎段)采用國產(chǎn)16MnR鋼材，厚度為28～36 mm，由武鋼集團和寶鋼集團供貨；下彎段及下平段采用600 MPa級低合金高強鋼，厚度為36～60 mm，由日本NKK和住友金屬供貨，鋼材牌號為NK-HITEN610U2和SUMITE610F，其訂貨技術(shù)要求見表5、表6。

表5 化學成分 %

表6 力學性能

碳當量要求低于0.42%，裂紋敏感系數(shù)Pcm≤0.20%。要求調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨，焊縫熱影響區(qū)硬度低于350 HV。

所有鋼板要求逐張進行力學性能試驗，由供方按中國標準《壓力容器用鋼超聲波探傷》的規(guī)定在鋼廠內(nèi)進行100%超聲波檢查，符合Ⅱ級質(zhì)量標準，鋼板的厚度公差按中國標準壓力容器用鋼板的相應條款執(zhí)行。對鋼板表面質(zhì)量及幾何尺寸也做了要求。同時要求供方明確所提供鋼板是否需要焊后消除殘余應力處理。供方參照日本有關(guān)規(guī)范及部分工程實例，對三峽鋼管不推薦進行消除殘余應力處理。三峽鋼管最終進行了爆炸消除焊接應力處理。明管部分，縱縫進行100%超聲波檢查和不少于50%射線檢查，環(huán)縫進行100%超聲波檢查和不少于10%射線檢查；埋管及鋼襯鋼筋混凝土管部分，縱縫進行100%超聲波檢查和不少于5%的射線檢查，環(huán)縫進行50%超聲波檢查，可疑位置射線復查[7]。

2.4 小浪底水利樞紐

小浪底水利樞紐共裝有6臺容量為300 MW的機組，總裝機容量為1 800 MW。共有6條地下埋藏式壓力鋼管，每條長約190 m，鋼管直徑7.8 m，材料采用ASTM 537CL.1(同大古力電站)和ASTM 517F(800 MPa級)，鋼板厚度為22～34 mm，其化學成分和力學性能見表7、表8。

表7 ASTM 517F化學成分 %

表8 ASTM 517F力學性能

A517F鋼焊接時預熱120～150℃，層間溫度150～200℃，焊完后150～180℃保溫2 h。縱縫全長進行100%超聲波檢查和不少于25%的射線檢查；環(huán)縫進行100%超聲波檢查和不少于10%的射線檢查。所有角焊縫焊后進行了磁粉或液體滲透法檢查[8-9]。

2.5 十三陵蓄能電站

十三陵抽水蓄能電站裝機容量4×200 MW，電站采用一管兩機供水方式。兩條壓力鋼管主管直徑5.2～3 m，支管直徑2.7 m，最大內(nèi)壓6.9 MPa。鋼管主材采用16MnR、SM570Q、SHY685NS-F三種鋼材[10-12]，鋼管最大板厚62 mm，其中SHY685NS-F強度等級為800 MPa級，其化學成分及力學性能見表9、表10。

其中，碳當量要求低于0.53%。

2.6 烏東德水電站

烏東德水電站總裝機容量為10 200 MW，左、右岸電站引水隧洞采用單機單洞布置形式，各布置6條引水隧洞。左岸1～6號機壓力鋼管直徑13.5 m，經(jīng)錐管段漸縮為11.5 m，每條壓力鋼管長55.2 m；右岸7～12號機壓力鋼管直徑12.5 m，經(jīng)錐管段漸縮為11.5 m，7號機壓力鋼管長約57.7 m，8～12號機壓力鋼管每條長55.2 m。經(jīng)調(diào)保計算，鋼管最大設(shè)計水頭為245.5 m(含水錘升壓)，HD值為3 314 m2，屬于超大型地下埋管。鋼管采用780 MPa級高強鋼[13-14]，管壁厚度56～64 mm，其化學成分及力學性能見表11、表12。

表11 780 MPa級高強度低合金調(diào)質(zhì)鋼板化學成分 %

表12 780 MPa級高強度低合金調(diào)質(zhì)鋼板力學性能

此外，為改善鋼的性能，可添加其它微量合金元素。要求碳當量Ceq≤0.52%，裂紋敏感性系數(shù)Pcm≤0.25%。

2.7 卡洛特水電站

卡洛特水電站采用岸邊引水式地面廠房，布置在右岸，裝機4臺機組，單機容量180 MW，總裝機容量720 MW。引水隧洞采用一機一洞引水方式，四條引水隧洞軸線平行布置。壓力鋼管自引水隧洞上彎段起，由上彎段、斜直段、下彎段、錐管段和下平段組成，之后與機組蝸殼相接。鋼管直徑Φ9.5 m，在下彎段之后經(jīng)10 m長的錐管段縮減為Φ7.9 m，1～4號機鋼管長度分別為約88.88、86.88、84.88、82.88 m，鋼管最大設(shè)計水頭為116.5 m(含水錘升壓)，最大HD值為1 107 m2。鋼管采用Q345R鋼材，壁厚30～34 mm，其化學成分及力學性能[15]見表13、表14。

表13 Q345R化學成分 %

表14 Q345R力學性能

3 結(jié) 語

歸整幾個國內(nèi)外水電站大型壓力鋼管的鋼材選擇特性，經(jīng)分析可以得到以下選擇要點。

1)選擇壓力鋼管材料需要考慮鋼管規(guī)模、布置形式、運行環(huán)境條件、材料的力學特性和工藝特性及經(jīng)濟性等諸多因素，對大型壓力鋼管需作深入細致的研究。隨著水電站規(guī)模的增大，大量使用高強鋼是壓力鋼管的發(fā)展趨勢。

通過鋼種的合理選擇，達到經(jīng)濟效果，必須注意到下列基本原則。即充分掌握各種材料的強度特性，以便能針對結(jié)構(gòu)的應力狀態(tài)充分地利用其強度特性。比如在產(chǎn)生變動應力的地方，由于高強鋼的疲勞強度低于其靜載強度，且強度越高降低的比例越大，所以在容易產(chǎn)生疲勞的地方，強度高的鋼材是沒有什么效果的。另外歐拉彈性穩(wěn)定強度取決于楊氏彈性模量，而不隨鋼材的抗拉強度和屈服點變化，所以在容易產(chǎn)生歐拉失穩(wěn)狀態(tài)的地方，使用高強鋼不是好辦法。再者，高強鋼對切口是敏感的，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造加工不注意，就容易產(chǎn)生脆性破壞。

高強鋼對焊接技術(shù)、制造安裝水平提出了更高的要求。材料在開發(fā)時一般都研究了相匹配的焊接材料，但不同工程的實際使用條件不同，焊接工藝評定尤為重要。鋼板選材時應充分考慮這些情況。

2)明管、岔管的主要受力構(gòu)件的受力復雜，存在較大的軸向應力和環(huán)向應力及較大的局部應力，建議采用壓力容器鋼。壓力容器用鋼保證了鋼板橫向沖擊韌性，鋼板出廠質(zhì)量檢驗標準比低合金結(jié)構(gòu)鋼更高，且同一強度等級的鋼材價格相差不大。

3)焊接殘余應力是分布復雜的三向應力，對塑性好的材料一般不影響結(jié)構(gòu)的靜載強度，但降低焊接接頭的抗疲勞能力。如鋼板太厚，對靜載強度也有一定的影響。《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》規(guī)定16Mn和15MnV、15MnTi鋼的結(jié)構(gòu)厚度分別超過38 mm和36 mm應在焊接后作消除應力熱處理，但對高強鋼焊接后作消應處理厚度沒有規(guī)定。而往往使用高強鋼的鋼管結(jié)構(gòu)尺寸大，熱消應難度相當大，對調(diào)質(zhì)鋼熱消應如溫度控制不好則會破壞鋼的高強特性，所以對消應處理構(gòu)件的條件長期以來存有爭議。目前日本規(guī)范對高強調(diào)質(zhì)鋼要求進行熱消應處理的鋼板厚度提高到50 mm，我國有幾個電站采用了爆炸消應法。如湖北隔河巖電站壓力鋼管(材料SM58Q，板厚36～46 mm)、三峽鋼管(材料NK-HITEN610U2和SUMITE610F，板厚36～60 mm)，還有一些材料為500 MPa級的鋼岔管也采用了爆炸消應方法。采用這種消應措施，都是在通過大量的試驗研究，證明對鋼管母材各項指標無不良影響而且能達到削減焊接殘余應力峰值效果的基礎(chǔ)上進行的。因此，選擇鋼管材料，必需充分考慮鋼管消應與否及消應方式。